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2 ALCUNE SEMPLICI ESPERIENZE DI INTRODUZIONE ALLA CHIMICA A cura di A.Rinaldo Arena

3 IL FUOCO, LA TERRA, L ARIA L E L ACQUAL Nella tradizione ellenica sono i quattro elementi sui quali è radicato lo sviluppo della nostra cultura. Partendo dalla filosofia ellenica, su questi elementi si sono basate le future osservazioni sulla materia, dalle quali nasce poi lo studio delle scienze in genere.

4 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I GAS Il gas piùcomune èl aria, composta da un miscuglio di gas fra cui i principali sono: Azoto (formula chimica N2) N) = 78% Ossigeno (formula chimica O2) O) = 21% Argon (formula chimica Ar) = 1% Diossido di Carbonio (formula chimica CO2) ) = 338 ppm (dati agosto 2010) + Neon, Elio, Idrogeno ed altri gas

5 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I LIQUIDI Il liquido piùcomune èl acqua, che quando èpura (acqua piovana) ha formula chimica H2O, H ma in genere ha in soluzione diversi altri elementi, generalmente sotto forma di Sali o di Ioni.

6 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI L ACQUA Gli elementi chimici piùcomuni presenti nelle acque dolci, in forma e percentuali diverse, sono: Il Calcio (formula chimica Ca) Il Magnesio (formula chimica Mg) Il Sodio (formula chimica Na) Il Cloro (formula chimica Cl) Il Potassio (formula chimica K)

7 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI L ACQUA Gli elementi chimici piùcomuni presenti nelle acque dolci, in forma e percentuali diverse, sono: Il Fluoro (formula chimica F) Il Manganese (formula chimica Mn) Il Fosforo (formula chimica P) Questi elementi sono tutti presenti nel nostro organismo che, in parte, li integra proprio dall acqua. acqua.

8 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI L ACQUA Troppo spesso però nelle acque sono anche presenti elementi dannosi al nostro organismo, provenienti da fattori di inquinamento derivante soprattutto dalle attività umane, piùraramente, da fattori naturali (per esempio fenomeni di vulcanesimo secondario).

9 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI L ACQUA Fra i compiti degli acquedotti vi èquello di monitorare le acque che ci arrivano a casa, controllando che le percentuali degli elementi naturalmente presenti e degli eventuali inquinanti non superi i livelli di rischio, stabiliti dalla ricerca scientifica e fissati per legge.

10 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I SOLIDI Quando si parla di solidi si pensa subito ai metalli, presenti nelle rocce che compongono la terra in percentuali e composizioni diverse. Ma anche la vita sulla terra si presenta con le piùvarie forme solide, in cui sono coniugati generalmente elementi e composti solidi assieme ad elementi e composti liquidi e gassosi.

11 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I METALLI In condizioni ambientali normali si presentano generalmente allo stato solido (tranne il mercurio, che invece èliquido) e sono caratterizzati da un caratteristica lucidità e da una discreta rigiditàdei dei legami che ne caratterizza la durezza.

12 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I METALLI Raramente i metalli sono puri : in genere sono presenti sotto forma di composti chimici (per lo piùossidi, ma anche cloruri, solfuri e fluoruri) e sono presenti nelle rocce in quantitàche non supera l 1% l del totale dell elemento elemento metallico puro.

13 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I SOLIDI Il 60% della crosta terrestre ècomposta da Silicio (Si) ed Ossigeno (O2) ) sotto forma di Diossido di Silicio (SiO2), il 39,5% da Ossidi di altri metalli (Alluminio, Calcio, Magnesio, Sodio, Ferro, ecc..) mentre meno dell 1% ècostituito da altri tipi di composto.

14 LA MATERIA GAS -LIQUIDI -SOLIDI I SOLIDI Le rocce si suddividono in : MAGMATICHE generate dal raffreddamento del magma. SEDIMENTARIE generate dalla sedimentazione inorganica, organica e di Sali minerali. METAMORFICHE -sono rocce magmatiche o sedimentarie disgregate dalle forze dell orog orogènesi e quindi sedimentatesi nuovamente.

15 REAZIONI CHIMICHE I GAS Una reazione chimica che facciamo quotidianamente : RESPIRARE Mediamente ogni giorno ispiriamo : l. di O2, O, l. di N2 N e 2,9 l. di H2OH Quindi espiriamo : l. di O2, O, l. di N2, N, 576 l. di CO2e e 3 l. di H2O H

16 PRODUZIONE DI CO2 Materiali : Un bicchiere, acqua, soda caustica (NaOH), un indicatore acido-base, una cannuccia. Metodo : 1. Riempire per un terzo il bicchiere con l acqua. l 2. Versare una goccia di NaOH ed una goccia di indicatore nel bicchiere. 3. Soffiare con la cannuccia in modo da far gorgogliare l aria espirata nel liquido.

17 PRODUZIONE DI CO2 Il liquido, che con l indicatore l aveva assunto una determinata colorazione, pian piano cambia di colore, passando da basico ad acido. Avvengono cioè queste 2 reazioni : 1) H2O O + CO2= = H2COH CO3 (Acido Carbonico) 2) NaOH + H2COH CO3= = NaHCO3 +H2O Idrato di Sodio + Acido Carbonico = Bicarbonato di Sodio (sale) + Acqua (L acido carbonico neutralizza la soda e forma un sale)

18 REAZIONI CHIMICHE DAL SOLIDO AL GAS Una reazione chimica che libera la CO2imprigionata nelle rocce sedimentarie di origine organica, i Calcari, formati prevalentemente da sedimenti derivanti dalle antichissime forme di vita negli oceani primordiali : Il Carbonato di Calcio (CaCO3)

19 ANCHE LE PIETRE RESPIRANO Materiali : Una beuta codata o una bottiglia con il tappo forato, frammenti di marmo o travertino, acido cloridrico (HCl), un tubo in gomma con terminale in vetro, un becker contenente una soluzione basica (acqua + alcune gocce di NaOH o un poco di cenere) e alcune gocce di indicatore acido-base.

20 Metodo : ANCHE LE PIETRE RESPIRANO 1. Inserire i frammenti di roccia nella beuta. 2. Aggiungere l HCl l e tappare la beuta. 3. Applicare il tubo in gomma con terminale in vetro all apertura apertura piccola della beuta, quindi inserire il terminale in vetro nel becker con la soluzione basica e l indicatore. l 4. Far gorgogliare il gas che si sviluppa nel becker fino al cambiamento di colorazione del liquido.

21 ANCHE LE PIETRE RESPIRANO Avvengono la seguenti reazioni : 1) CaCO3+ + HCl = CaCl2+ + CO2+ + H2OH 2) NaOH + H2COH CO3= = NaHCO3 +H2O (Anche in questo caso, come nella reazione precedente, si forma acido carbonico che neutralizza la soda caustica, varia il colore dell indicatore e forma un sale)

22 ANCHE LE PIETRE RESPIRANO In cui : CaCO3 = Carbonato di Calcio (pietra calcarea), HCl = Acido Cloridrico, CaCl2= = Cloruro di Calcio, CO2= = Diossido di Carbonio, H2CO3= = Acido Carbonico, NaOH = Idrato di Sodio, NaHCO3 = Bicarbonato di Sodio.

23 CO2: : IL GAS ESTINTORE (1) Materiali : Una beuta codata o una bottiglia con il tappo forato, Bicarbonato di Sodio, Acido Acetico (aceto), un tubo in gomma, un contenitore impermeabile con all interno una candela (alta circa metà del contenitore).

24 CO2: : IL GAS ESTINTORE (1) Metodo : Accendere la candela, inserire nella beuta l aceto ed un abbondante cucchiaino di Bicarbonato, tappare la beuta. Come prima dalla reazione si svilupperà CO2,, che convoglieremo con il tubetto di gomma sul fondo del contenitore contenente la candela. La CO2,, che èun gas piùpesante pesante dell aria, si accumula sul fondo del contenitore riempiendolo e spegnendo quindi la fiamma. (per una buona riuscita, nella stanza non devono esserci correnti i d aria) d

25 CO2: : IL GAS ESTINTORE (2) Materiali : Una beuta codata o una bottiglia con il tappo forato, Bicarbonato di Sodio, Acido Acetico (aceto), un tubo in gomma, un becker con acqua, una bottiglietta, un contenitore impermeabile con all interno una candela (alta circa metàdel contenitore).

26 CO2: : IL GAS ESTINTORE (2) Metodo : E una E variante della precedente. La CO2 sviluppata dalla reazione viene introdotto nelle bottiglietta, precedentemente riempita d acqua d ed introdotta a testa in giùnel becker con acqua. La CO2 riempiràla bottiglietta prendendo il posto dell acqua e potràessere usata come estintore, versandola lentamente nel contenitore con la candela accesa. (per una buona riuscita, nella stanza non devono esserci correnti i d aria) d

27 IL PESO DEI GAS Materiali : Una beuta codata o una bottiglia con il tappo forato, Bicarbonato di Sodio, Acido Acetico (aceto), un tubo in gomma, un palloncino gonfiabile, una bilancia con sensibilità 0.1 g.

28 IL PESO DEI GAS Metodo : Fissare il palloncino perfettamente sgonfio all estremit estremitàpiccola della beuta codata o sul tappo forato della bottiglietta. Inserire nella beuta l aceto l ed un abbondante cucchiaino di Bicarbonato. Si svilupperà CO2 che gonfieràil il palloncino. La reazione termina quando non si vedrà più effervescenza. Pesare il tutto prima della reazione, dopo la reazione e dopo aver svuotato il palloncino.

29 DAL GAS AL SOLIDO Unendo due gas può avvenire una reazione chimica che forma un prodotto solido. I due gas in questione sono : Ammoniaca (NH3), sviluppata dall Idrato di Ammonio (NH4OH). Cloro (Cl), sviluppato dall Acido Cloridrico o Muriatico (HCl) ATTENZIONE : questa prova va effettuata in ambiente molto ben areato!

30 DAL GAS AL SOLIDO Materiali : Un tubo di vetro lungo circa 40 cm., due tappi con applicati due tamponi di cotone, una striscia di carta nera lunga quanto il tubo, Ammoniaca (Idrato di Ammonio NH4OH) e Acido Cloridrico (HCl).

31 DAL GAS AL SOLIDO Metodo : Bagnare i due tamponi rispettivamente in Ammoniaca ed in Acido Cloridrico, quindi inserire i tappi alle due estremitàdel tubo di vetro e posare il tutto orizzontalmente sul foglio di carta nera. I gas liberati alle due estremitàdel tubo inizieranno a riempire il tubo stesso, incontrandosi verso la metà. Al punto di incontro, dopo diversi minuti, si formeràun anello bianco di sale.

32 DAL GAS AL SOLIDO La reazione chimica che avviene è: NH3+ + HCl = NH4Cl In cui il sale bianco che si forma ècloruro di Ammonio, ben visibile dopo una decina di minuti verso la metà del tubo di vetro. ATTENZIONE : questa prova va effettuata in ambiente molto ben areato!

33 DAL LIQUIDO AL GAS AL SOLIDO Il Perossido di Idrogeno (Acqua Ossigenata = H2O2) H èun liquido particolarmente instabile : infatti tende naturalmente a rilasciare ossigeno (O2) ) ed a ritornare alla formula originale dell acqua (H2O). Questo fenomeno èlento nel tempo, ma si può accelerare usando un catalizzatore,, ossia una sostanza che accelera la reazione.

34 DAL LIQUIDO AL GAS AL SOLIDO Materiali: 125 ml. di Perossido di Idrogeno 120 volumi (si trova dai ferramenta), detersivo per piatti, KI (Ioduro di Potassio), una bottiglia vuota con apertura non troppo piccola, guanti in gomma, una vaschetta in plastica o una cerata per proteggere il tavolo.

35 DAL LIQUIDO AL GAS AL SOLIDO Metodo: Indossare i guanti e versare nella bottiglia l H2O2, l un abbondante getto si sapone per piatti. Mescolare bene, quindi aggiungere KI (Ioduro di Potassio). La reazione, che avviene con sviluppo di Ossigeno, formerà abbondante schiuma densa che travaserà dalla bottiglia sul tavolo. La reazione sviluppa anche calore (è( esotermica). E possibile sostituire il KI con lievito sciolto in acqua calda, ottenendo però una reazione più lenta.

36 DAL LIQUIDO AL GAS AL SOLIDO Le reazioni che avvengono sono : H2O2(aq) 2(aq) +I - (aq) H2O2( 2(aq) +OI - (aq ----> > OI - (aq) + H (aq) > > I - (aq aq) H2O(l) aq)+ + H2O(l) H +O2(g) +O La schiuma che si forma, per la presenza del detersivo, è innocua e può essere versata nel lavandino.

37 DAL SOLIDO AL GAS La reazione fra Zinco ed Acido Cloridrico sviluppa Idrogeno (H2) ) che è un gas altamente infiammabile. L Idrogeno è riconoscibile per combustione, avvicinando un fiammifero alla provetta dove avviene la reazione.

38 DAL SOLIDO AL GAS Metodo : introdurre in una provetta un po di zinco (limatura o truccioli) ed aggiungere 2 o 3 ml. di Acido Cloridrico. La reazione che avviene è : Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 Tappare con un dito la provetta, avvicinare una fiamma all apertura apertura e stappare : si avvertirà un piccolo scoppio, per la combustione dell Idrogeno prodotto.

39 LE SCHIUME La reazione fra Bicarbonato di Sodio (NaHCO3) ) ed Acido Acetico (CH3COOH) COOH) (Aceto bianco) sviluppa Diossido di Carbonio (CO2). Il Bicarbonato è una sostanza basica, mentre l aceto l è acido. La reazione fra i due produce un sale, Acetato di Sodio (CH3COONa), COONa), e del gas : CO2. Se il gas prodotto viene fatto gorgogliare in una soluzione contenente sapone da piatti, forma bolle di sapone.

40 LE SCHIUME Materiali : cilindro, un becker, Acido Acetico (Aceto), Bicarbonato di Sodio in polvere, sapone da piatti, glicerina.

41 LE SCHIUME Metodo : Fissare il tubetto in gomma alla beuta codata, versare nella beuta l Acido l Acetico. Preparare nel becker una soluzione con acqua, glicerina e sapone da piatti, quindi aggiungere un cucchiaino di Bicarbonato di Sodio nella beuta. Tappare velocemente e far gorgogliare il gas prodotto nel becker. Si formeranno bolle di sapone contenenti CO2, rese più resistenti dalla presenza della glicerina.

42 LE SCHIUME La reazione che avviene è : CH COOH 3 + NaHCO 3 = CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 In cui CH 3 COOH è Acido Acetico, NaHCO 3 è Bicarbonato di Sodio, CH 3 COONa è Acetato di Sodio.

43 I COLORI DELLA CHIMICA Gli indicatori sono sostanze che in presenza di un acido o una base assumono colorazioni diverse, permettendo così di individuare velocemente se una sostanza è acida o basica. Molti vegetali possiedono sostanze naturali che hanno proprietà indicatrici.

44 I COLORI DELLA CHIMICA Fra gli indicatori naturali troviamo le foglie del cavolo rosso, i petali di rosa rossa, di geranio,, di papavero rosso, di fiordaliso, come pure i mirtilli, le bacche di gelso o quelle di sambuco. Le sostanze a cui è dovuto questo sono antocianine, che spesso sono di colore rosso porpora oppure violacee.

45 I COLORI DELLA CHIMICA Anche molte tisane si comportano come indicatori : la tisana di Malva, per esempio, è di colore azzurro, ma con l aggiunta l di qualche goccia di limone diventa incolore, e continuando ad aggiungere limone diventa rosa. Simile comportamento è caratteristico del Thè, che con il limone si schiarisce, ma con meno efficacia.

46 I COLORI DELLA CHIMICA : IL CAVOLO ROSSO Il Cavolo Rosso (o Cavolo Cappuccino) è un tipico prodotto invernale. Per ottenere il succo (un liquido di colore blu-viola) da usare come indicatore occorre : tagliare il cavolo a fettine, coprirle d acqua d e bollire per circa mezz ora. Raffreddare, filtrare il liquido. A contatto con sostanze acide diventa rosso, mentre con sostanze basiche verde o giallo.

47 I COLORI DELLA CHIMICA : IL CAVOLO ROSSO Può essere usato a gocce, ma deve essere fresco e può essere conservato per poco tempo. In alternativa si possono preparare delle cartine indicatrici, imbevendo dei cartoncini con il succo e asciugandoli bene. In tal modo possono essere conservati attivi per mesi, soprattutto se al chiuso e in ambiente anidro.

48 I COLORI DELLA CHIMICA : IL CAVOLO ROSSO LA SCALA CROMATICA DELLE CARTINE AL CAVOLO ROSSO Materiali : acqua del rubinetto, succo di limone, aceto bianco, ammoniaca, bicarbonato di Sodio, cartina tornasole (indicatore universale), cartine al cavolo rosso, becker o vasetti di vetro, macchina fotografica.

49 I COLORI DELLA CHIMICA : IL CAVOLO ROSSO LA SCALA CROMATICA DELLE CARTINE AL CAVOLO ROSSO Metodo : preparare, con succo di limone, una prima soluzione a ph 2, diluendolo con acqua fino alla giusta colorazione della cartina tornasole. Allo stesso modo preparare altrettante soluzioni a ph 3, 4, 5, 6 e 7. Usando l ammoniaca l preparare allo stesso modo soluzione a ph 8, 9, 10 e 11. (segue ) (Attenzione: l ammoniaca l deve essere usata in ambienti ben areati)

50 I COLORI DELLA CHIMICA : IL CAVOLO ROSSO LA SCALA CROMATICA DELLE CARTINE AL CAVOLO ROSSO Metodo : Fotografare la colorazione che assumono le cartine al Cavolo rosso nelle diverse soluzioni.

51 I COLORI DELLA CHIMICA : IL CAVOLO ROSSO DETERMINARE IL ph DI ALCUNE SOSTANZE Metodo : Usando la cartina tornasole e le cartine al cavolo rosso, determinare il ph delle sostanze indicate nella seguente tabella.

52 Acqua distillata Acqua di rubinetto Acqua piovana Acqua gasata Aceto Succo di limone Vino Birra Cocacola Latte Bicarbonato di sodio (soluzione satura) Ammoniaca (al 20% e diluita in 3 parti di acqua). Aspirina (1 pasticca in 20 ml di acqua distillata) Shampoo Sapone SOSTANZE COLORE ph (tornasole) COLORE (cartine al cavolo rosso)

53 L ELETTRICITA E LE REAZIONI CHIMICHE LA SCOMPOSIZIONE DELL ACQUA Possono separarsi l Idrogeno l e l Ossigeno l uniti nella formula dell Acqua? Con questo semplice metodo, chiamato Idrolisi, è possibile.

54 L ELETTRICITA E LE REAZIONI CHIMICHE LA SCOMPOSIZIONE DELL ACQUA Materiali : due batterie da 4,5 volt, tre spezzoni di cavo elettrico, due mine di matita (grafite) o chiodi in ferro, nastro adesivo, acqua, un bicchiere di aceto, un becker e due provette.

55 L ELETTRICITA E LE REAZIONI CHIMICHE LA SCOMPOSIZIONE DELL ACQUA Metodo : Riempire il becker con acqua, unire con un ponte le due pile in modo da raddoppiarne il voltaggio, fissare all estremit estremità di due spezzoni di filo elettrico i due pezzi (elettrodi) di grafite (con nastro adesivo), collegare ogni spezzone dei due fili ad un polo della maxi-pila, riempire le due provette d acqua d e, tenendole tappate, inserirle capovolte nel becker, senza perdere liquido. (segue )

56 L ELETTRICITA E LE REAZIONI CHIMICHE LA SCOMPOSIZIONE DELL ACQUA Metodo : Introdurre i due elettrodi di grafite nelle due provette (senza perdere liquido), quindi versare l aceto l nel becker. Dopo alcune ore si potrà notare che nelle due provette si è formato del gas che sta sostituendo il liquido : se non ci sono state perdite dal sistema, in una delle provette ci sarà Ossigeno, nell altra (con circa il doppio del gas) l Idrogeno. l

57 L ELETTRICITA E LE REAZIONI CHIMICHE LA SCOMPOSIZIONE DELL ACQUA

58 Al (s) LE REAZIONI CHIMICHE E L ELETTRICITAL ELETTRICITA LA PILA AD OSSIGENO Si basa su queste 2 reazioni chimiche : + 3 OH - Al(OH) 3 (s) + 3 e (Anodo O H 2 O + 4 e - 4OH - (aq) Che costituiscono la reazione : (Anodo - positivo) (aq) (Catodo - negativo) 4 Al + 3 O H 2 O 4 Al(OH) 3

59 LE REAZIONI CHIMICHE E L ELETTRICITAL ELETTRICITA LA PILA AD OSSIGENO La reazione che provoca lo scambio di elettroni (produzione di cariche elettriche) avviene fra l Ossigeno (contenuto nel Carbone attivo) e l alluminio l (la pellicola di alluminio). Certo la produzione elettrica è molto piccola (meno di un volt per ogni semipila) e per percepirla occorre un rilevatore (tester) o l unione l in serie di almeno sette semipile che accendono un piccolo led.

60 LE REAZIONI CHIMICHE E L ELETTRICITAL ELETTRICITA LA PILA AD OSSIGENO Materiali : Soluzione acquosa satura di Cloruro di Sodio (NaCl), Carbone attivo in polvere, diversi spezzoni di cavo elettrico (due per ogni elemento semipila), carta assorbente, foglio alluminio (per uso cucina), un led, un tester.

61 LE REAZIONI CHIMICHE E L ELETTRICITAL ELETTRICITA LA PILA AD OSSIGENO Metodo : Bagnare bene la carta assorbente con la soluzione satura di NaCl, aprirla sul foglio di alluminio (un poco più largo) e disporvi sopra un cucchiaino di Carbone attivo. Poggiare un capo di un cavo elettrico spellato ed aperto a farfalla sul Carbone, quindi chiudervi sopra la carta assorbente, in modo che il carbone non entri in contatto con l alluminio. l

62 LE REAZIONI CHIMICHE E L ELETTRICITAL ELETTRICITA LA PILA AD OSSIGENO Metodo : Sistemare il secondo cavetto elettrico (aperto come prima) sulla pasticca così ottenuta (carta assorbente inumidita e contenente carbone ed il primo elettrodo), quindi chiudere anche il foglio di alluminio in modo che il secondo elettrodo sia a contatto con l alluminio. Ora la semi-pila è pronta e si può testare. Sette elementi così preparati e collegati in serie accendono un piccolo led.

63 IL CORPO UMANO da : La chimica in versi di Alberto Cavaliere Ecco un'analisi non troppo amena, che ha fatto un macabro dottore a Jena : preso un cadavere, l'ha decomposto, con molto scrupolo stimando il costo. L'ossa forniscono tanta calcina dal far l'intonaco d'una cucina, e si ricupera tanta grafite da far al massimo cento matite.

64 I grassi abbondano strano contrasto! pure in chi è solito saltare il pasto. Da tutto il fosforo, piedi compresi, al più ci scappano mille svedesi, mentre distillasi dal corpo vile d'acqua potabile tutto un barile. Il ferro è in minime tracce, di modo che non ci fabbrichi neppure un chiodo : fatto stranissimo perché da vivi di chiodi, in genere, non siamo privi. Ma ciò che supera le previsioni più catastrofiche sono i bottoni :

65 ne ottieni un numero fenomenale, sì che un legittimo dubbio t'assale: fece l'analisi quell'alchimista sopra lo scheletro d'un giornalista? Volendo vendere questi elementi ai poco modici prezzi correnti, ci si ricavano venti lirette : alcune scatole di sigarette! Che cifra misera! Solo conforto, se si considera che l'uomo morto, oscuro o celebre, ricco o pezzente, sciocco o filosofo, vale ugualmente.

66 Ed è ridicolo, in fondo in fondo, che, mentre vivono su questo mondo, sia dian cert'arie tanti mortali, se poi gli scheletri son tutti uguali! da : La chimica in versi di Alberto Cavaliere